Para encontrar dispositivos fotovoltaicos más eficientes y económicos, se han desarrollado películas delgadas en diferentes compuestos. Las películas delgadas de SnSe , Cu Se y ZnSe son compuestos binarios que fueron fabricados por los métodos de 2 2 deposición química y física, como el de evaporación. Las muestras fueron caracterizadas ópticamente utilizando medidas de transmitancia espectral en función de la longitud de onda. La determinación de las constantes ópticas para los compuestos: Coeficiente de absorción (α), índice de refracción (n), ancho de brecha prohibida “Gap” (Eg) y espesor (d), fueron obtenidos a través de la teoría de Sweneapoel mediante la deconvolución de los espectros

Bermeo, Fabio B.

Calderón, Jorge A.

Dussan, Anderson

Lopez, Sandra M.

Quiroz, Heiddy P.

Spanish

Revistas Científicas de la Universidad de la Amazonia

1Grupo de Materiales Nanoestructurados, Departamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
2
Grupo de ciencia y tecnologìa Universidad de la Amazonia
1 1 1 1
Heiddy P. Quiroz, Sandra M. López, Jorge A. Calderón, Anderson Dussan, Fabio B. 
2
Bermeo*
 *Autor para Correspondencia: vicebuinaima@gmail.com
Universidad de la
AMAZONIA
MOMENTOS DE
 CIENCIAMomentos de Ciencia 10:(1), 2013
Recibido 18 de febrero de 2013; Aceptado 24 de mayo 2013
Cálculo de las constantes ópticas de compuestos binarios 
usados para la aplicación en dispositivos fotovoltáicos
Resumen
Para encontrar dispositivos fotovoltaicos más ecientes y económicos, se han desarrollado películas delgadas en diferentes 
compuestos. Las películas delgadas de SnSe, CuSe y ZnSe son compuestos binarios que fueron fabricados por los métodos de 
2 2
deposición química y física, como el de evaporación. Las muestras fueron caracterizadas ópticamente utilizando medidas de  
transmitancia espectral en función de la longitud de onda. La determinación de las constantes ópticas para los compuestos: 
Coeciente de absorción (α), índice de refracción (n), ancho de brecha prohibida “Gap” (Eg) y espesor (d), fueron obtenidos a través 
de la teoría de Sweneapoel mediante la deconvolución de los espectros.
Palabras claves: Películas delgadas, Propiedades ópticas, Semiconductores
Abstract
To nd more efcient and cost photovoltaic devices, thin lms have been developed in different compounds. Thin lms of SnSe, 
2
CuSe and ZnSe are binary compounds that were manufactured by the methods of chemical and physical deposition, such as 
2
evaporation. The samples were characterized using optically measures spectral transmittance versus wavelength. The 
determination of the optical constants for compounds: absorption coefcient (α), refractive index (n), width of forbidden gap "Gap" 
(Eg) and thickness (d) were obtained from the theory of Sweneapoel by deconvolution of the spectra. 
Keywords: Thin lms, optical properties, Semiconductors
Introducción 
El utilizar compuestos como Sn, Se, Cu es una 
idea que se implementa actualmente en la 
fabricación de dispositivos fotovoltaicos basados 
en películas delgadas debido a que son elementos 
de bajo costo, con bajos niveles de toxicidad y 
relativamente abundantes en la naturaleza. 
La generación fotovoltaica de electricidad se 
realiza utilizando módulos solares fabricados a 
partir de dos tecnologías diferentes. La primera de 
éstas, es la denominada tecnología de silicio mono 
y poli-cristalino (también conocida como de 
primera generación). La segunda es la 
denominada tecnología de película delgada 
(también conocida como de segunda generación). 
Esta última, ha sido muy exitosa mediante la 
fabricación de módulos basados en tres tipos 
diferentes de materiales: Cu(In,Ga)Se (CIGS), 
2
CdTe y silicio amorfo (a-Si). 
Durante los últimos años, ha surgido la 
denominada tecnología de tercera generación, la 
cual está basada en celdas tipo heterojuntura (o tipo 
tandem) (NREL 2013). Estas celdas solares 
aprovechan mayor parte de la energía solar, ya que 
están construidas con varios materiales 
absorbentes de diferentes “Gap”. Finalmente, en el 
recorrido por los diferentes tipos de materiales para 
la construcción de celdas solares, aparecen aquellas 
que son celdas sensibilizadas con colorantes 
también conocidas como electroquímicas (Green et 
al. 2001) y las celdas orgánicas basadas en 
polímeros conductores (Luque and Hegedus 2003), 
con este último tipo de celdas no se han logrado 
eciencias tan altas; sin embargo son de muy bajo 
costo y permiten que a  futuro, su relación 
eciencia/costo sea mayor que el de los otros tipos 
de celdas.
Los compuestos binarios SnSe, CuSe y ZnSe 
2 2
están siendo fabricados para su implementación 
en el desarrollo de nuevos dispositivos como 
celdas solares, sensores, etc; en este trabajo se 
presenta un estudio de las propiedades ópticas de 
los compuestos y se calculan los valores de las 
constantes de red para cada uno de ellos usando la 
teoría de Swanepoel (Swanenpoel & Phys 1983). Se 
observa que para los compuestos basados en Cu 
las medidas de transmitancia espectral presentan 
valores que predominan en la absorción y que 
dicultan el cálculo de los parámetros ópticos.
49
50
Quiroz  et al. / Momentos de Ciencia 10 (1) 2013, pp: 49-53
Detalles Experimentales
Las películas delgadas de los compuestos 
binarios SnSe, CuSe y ZnSe fueron preparadas 
2 2
por el método de evaporación, variando los 
siguientes parámetros: temperaturas de 
deposición y del sustrato, variando las masas de 
los precursores (Sn, Se, Zn, Cu) y a diferentes 
tiempos de deposición.
Las películas delgadas de los compuestos 
binarios SnSe, CuSe y ZnSe se caracterizaron 
2 2
ópticamente a través de mediciones de 
transmitancia espectral en función de la longitud 
de onda utilizando un espectrofotómetro Uv-Vis-
IR de referencia Cary 5000 del Ultravioleta-Vis-
NIR de alto rendimiento en la gama de 175 a 
3300nm a presión atmosférica y temperatura 
ambiente. Es controlado por el software de 
CaryWinUV basado en Windows. El equipo usado 
para las medidas de transmitancia espectral 
pertenece al Departamento de Física de la 
Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá.
Resultados
Para el cálculo de las constantes ópticas  y de los 
espesores de las películas de SnSe, CuSe y ZnSe se 
2 2
tomaron dos películas de cada compuesto; en el caso 
del compuesto SnSe tomamos las películas 
2
referenciadas por el grupo como 09 y 10que 
corresponden a la variación de la temperatura del 
Selenio de 1050 y 970 ºC, respectivamente. Las demás 
condiciones de preparación fueron mantenidas 
constantes: Tsus= 250°C, TSn= 250°C, mSe=2,53g, 
mSn=0,30g, donde TSn se reere a la temperatura de 
evaporación del estaño y mSe, mSn se reere a las 
masas primarias de los compuestos usados para la 
deposición.
Los espectros de transmitancia espectral en función 
de la longitud de onda para películas delgadas del 
compuesto SnSe (gura 1). Se observar de manera 
2
general la presencia de franjas de interferencia en 
ambos espectros con valores de transmitancia de 
alrededor del 80 % para longitudes de onda mayores 
a 2000 nm.
La gura 1 evidencia las regiones de alta, media y 
baja absorción tenidas en cuenta en el modelo de 
Swanepoel para la obtención de las constantes ópticas. 
Una comparación entre los valores de transmitancia 
experimental y los valores de transmitancia teóricos, 
simulados a partir del modelo, (gura 2). 
A partir de la gura 2 se observa una completa 
correspondencia entre los espectros experimentales 
y los obtenidos a partir del modelo de Swanepoel 
para ambas muestras. Lo anterior es importante 
resaltar, teniendo en cuenta que a partir de estos 
resultados se obtienen los valores de las constantes 
ópticas que caracterizan al material. Los valores de 
las constantes ópticas para las muestras de SnSe
2 
obtenidos a partir de las medidas de transmitancia 
espectral (tabla 1).
A medida que se aumenta la temperatura de 
deposición del (Se) el espesor de las películas 
disminuye signicativamente, sin afectar la fase en 
la cual fueron depositadas las muestras (Tabla 1). 
Este hecho puede estar relacionado con procesos 
de re evaporación de Selenio durante la etapa de 
Figura 1. Curvas de transmitancia espectral del 
compuesto SnSe variando la temperatura del Selenio: 
2
TSe = 970  ºC y TSe = 1050  ºC.
 
 
 
SnSe
2
T  =970 ºC
Se
T =1050 ºC
Se
T
r
a
n
s
m
it
a
c
ia
 (
u
.a
)
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
500 1000 1500 2000 2500
  
  
   
 
 
 
 
 
 
l (nm)
  
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Espectros de transmitancia experimental 
comparado con el espectro de transmitancia simulado 
para las muestras de SnSe fabricas variando la 
2
temperatura del Selenio de 970  y 1050  ºC. 
500 1000 1500 2000 2500500 1000 1500 2000 2500
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
 
SnSe
2 
( T
Se= 970 
0
C)
 Experimental
 Simulado
SnSe
2 
( T
Se= 1050 
0
C)
 Experimental
 Simulado
 
T
r
a
n
s
m
it
a
n
c
ia
  
(u
.a
)
λ (nm)λ (nm)
fabricación. Temperaturas superiores a la 
considerada produce cambios en la fase del 
compuesto y variaciones signicativas de sus 
propiedades ópticas que no benecian su 
aplicación en celdas solares.
La variación del índice de refracción en función 
de la longitud de onda (gura 3). Se observa que 
para valores al rededor a 650nm los valores para n 
se encuentran entre 4 y 6 y un coeciente de 
absorción del orden de 104. (tabla 1.) Todos estos 
valores encontrados de sus propiedades ópticas lo 
hace un buen candidato para su aplicación en 
dispositivos fotovoltaicos (Banguero 2010).
Para determinar el Gap, se realizó la gura de 
absorción calculada en función de la longitud de 
onda, teniendo así un valor de 1,68±5%eV para la 
muestra depositada con TSe=970°C y 1,72±5% eV 
para la muestra depositada con TSe=1050°C. Los 
valores encontrados para el Gap se encuentran en 
concordancia con los reportados en la literatura  
para este compuesto (Martinéz-Escobar et al. 2013) 
De manera general, a partir de los valores 
reportados en la tabla 1, se puede observar un 
aumento en el valor del Gap a medida que 
aumenta la temperatura de deposición del Se; este 
hecho está relacionado con la incorporación de 
átomos de Selenio y con posibles transiciones a 
fases secundarias.
De manera similar a lo realizado anteriormente 
con los compuestos binarios considerados se 
presentan a continuación los resultados obtenidos 
para las películas de ZnSe con condiciones de 
deposición constantes: TSe= 970°C, mSe=0,37g, 
mZn=0,30g y variando la temperatura del 
substrato entre 300 y 400°C.
A partir de los espectros de transmitancia 
obtenidos para las muestras de ZnSe (gura 5) se 
reportan en la tabla 2 los valores correspondientes 
a las constantes ópticas del compuesto binario. 
Los demás parámetros de deposición se 
mantuvieron constantes. (TSe= 970°C, mSe=0,37g, 
mZn=0,30g).
500 1000 1500 2000 2500
2
 
3
 
4
 
5
 
6  
n
 
l (nm)
SnSe
2
TSe= 970 
o
C
TSe= 1050 
o
C
Figura 3. Índice de refracción en función de la longitud 
de onda para las muestras de SnSe variando la 
2
temperatura del Selenio de 970  y 1050 ºC.
Figura 4. Coeciente de absorción en función de la 
longitud de onda, para el compuesto binario SnSe.
2
 
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2
0,0
2,0x10
 
10
 
4,0x10
 
10
 
6,0x10
 
10
 
8,0x10
 
10
 
1,0x10
 
11
 
  
 
 
 
 
 
 
hn (eV)
SnSe
 
2
 
 
T
 
Se
 
= 970 
 
C
 
 
T
 
Se
 
= 1050 
 
C
 
o
o
2
 
-1
 
2
(α
h
v
)c
m
e
V
)
Figura 5. Transmitancia espectral del compuesto ZnSe 
variando la temperatura del substrato.
300 600 900 1200 1500 1800
0,0
 
0,2
 
0,4
 
0,6
 
0,8  
1,0
 
  
 
l (nm)
ZnSe
Ts = 300 C
Ts = 400 C
o
o
T
r
a
n
s
m
it
a
n
c
ia
 (
u
.a
)
Tabla 1. Valores de las constantes ópticas del compuesto binario SnSe obtenidos variando la temperatura del Selenio 
2
de 970  y 1050  ºC. Los demás parámetros de deposición se mantuvieron constantes. (Tsus= 250°C, TSn= 250°C, 
mSe=2,53g, mSn=0,30g,)
Muestra TSe (ºC) d (nm) n (650 nm) α (1,6 eV) (cm
-1
) Eg (eV)
SnSe2 970 433,15±1,11 6,31±0,40 6,17x104±5% 1,68±5%
SnSe2 1050 298,15±0,94 4,46±0,40 8,44x104±5% 1,72±5%
51
Quiroz  et al. / Momentos de Ciencia 10 (1) 2013, pp: 49-53
Los valores reportados en la tabla 2 fueron 
obtenidos también a partir de la deconvolución de 
los espectros de transmitancia usando el modelo se 
Swanepoel (gura 6).
La variación del índice de refracción en función 
de la longitud de onda para las muestras de ZnSe 
gura 7, depositadas con temperatura de substrato 
de 300 y 400°C. Se observa que para una longitud 
de onda de 1500 nm los valores encontrados para 
nuestro compuesto son comparables con el valor 
de n=2,45 reportado en trabajos realizados 
anteriormente (Rojas et al. 2005)
Al igual que en el compuesto SnSe, el ZnSe es un 
2
material de Gap directo y cuyo valor puede ser 
fácilmente obtenido a partir de la extrapolación 
lineal del coeciente de absorción en la región de 
alta absorción (gura 8). Para nuestro caso se 
obtuvo un valor del Gap de 3.1 y 2.7 eV para las 
muestras de ZnSe depositadas a Ts=300°C y 
Ts=400°C respectivamente; estos valores se 
encuentran en el intervalo de 2,67 a 2,72 eV para 
este material (Ezama 2006).
Para terminar se presenta a continuación el 
espectro de transmitancia obtenido para el  
compuesto binario CuSe en la región entre los 500 
2
y 2500nm (gura 9).
La curva de transmitancia mostrada en la gura 9 
es atípica en comparación con los espectros 
obtenidos anteriormente; esto diculta la 
aplicación del modelo de Swanepoel teniendo en 
cuenta que no se observa la presencia de las franjas 
de interferencia características para el 
procesamiento y obtención de las constantes 
ópticas del CuSe. 
2
Figura 6. Espectro de transmitancia experimental 
comparado con el espectro de transmitancia simulado, a 
partir del modelo de Swanepoel.
T
a
n
s
m
it
a
n
c
ia
 (
u
.a
)
300 600 900 1200 1500 1800
0,0
0,2
 
0,4
 
0,6
 
0,8
 
1,0  
300 600 900 12001500 1800
  
  
ZnSe (Ts= 400 C)
Experimental
Simulada
 
l (nm)
  
ZnSe (Ts= 400 C)
Experimental
Simulada
l (nm)
  
o
o
Figura 7. Índice de refracción calculado en función de la 
longitud de onda.
200
 
400
 
600
 
800
 
1000 1200 1400 1600 1800 2000
2,0
 
2,5  
3,0  
3,5  
4,0  
4,5  
5,0  
5,5  
n
 
l (nm)
ZnSe
Ts = 300 C
Ts = 400 C
o
o
Figura 8. Coeciente de absorción en función de la 
energía para las muestras de ZnSe depositadas a 
temperaturas de substrato de 300 y 400°C.
2
 
-1
 
2
(α
h
v
)c
m
e
V
)
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
0
 
1x10
 
12
 
2x10
 
12
 
3x10
 
12
 
4x10
 
12
 
5x10  
12  
 
 
 
 
 
 
hn (eV)
ZnSe
 
 
T
 
s
 
= 300 
 
C
 
 
T
 
s
 
= 400 
 
C
 
o
o
Figura 9. Transmitancia espectral en función de la 
longitud onda de la película Cu se depositada con 
2 
TSe=260°C.
500 1000 1500 2000 2500
0,00
 
0,05
 
0,10
 
0,15
 
0,20
 
0,25
 
0,30  
  
T
r
a
n
s
m
it
a
n
c
ia
 (
u
.a
)  
l (nm)
Cu
2
Se
T
Se
= 260°C
52
Quiroz  et al. / Momentos de Ciencia 10 (1) 2013, pp: 49-53
Procesamiento y obtención de las constantes ópticas del 
CuSe. 
2
La fuerte absorción que se presenta para valores 
por encima de los 1000nm (gura 9) caracterizada 
por un decaimiento abrupto del espectro, es 
asociado a defectos presentes en el material y 
originados durante los procesos de deposición del 
mismo; vacancias, defectos intersticiales, tensiones 
y defectos creados por impurezas son entre otros 
posibles factores responsables de una fase estable. 
El comportamiento que presenta el espectro es 
observado generalmente en compuestos cuya 
presencia de Cu es signicativa.
Se logró determinar las constantes ópticas de los 
compuestos binarios utilizando el método de 
Swanepoel, obteniendo resultados fácilmente 
comparables con los registrados en la literatura 
para el índice de refracción, el ancho de brecha 
prohibido Gap, el coeciente de absorción y el 
espesor de cada uno de los compuestos SnSe, 
2
CuSe y ZnSe.
2
Aunque el método de Swanepoel es un método 
indirecto que depende de la manipulación de los 
espectros de transmitancia, los resultados 
obtenidos del espesor de las películas son 
comparables con métodos directos como el de 
perlometría. 
Las condiciones de preparación de las películas 
cambian las constantes ópticas de los compuestos 
binarios y esto se observó en todas las películas. 
En el caso de CuSe no se pudo determinar las 
2
constantes ópticas utilizando el método de 
Swanepoel puesto que no se identicaron las 
franjas de interferencia y que es característico de 
compuestos donde es considerable la cantidad de 
Cu. Para este caso es necesario determinar las 
constantes ópticas utilizando otros métodos.
Agradecimientos
Este trabajo fue soportado por proyectos de la 
Universidad Nacional de Colombia y la Dirección 
de Investigación de la Sede Bogotá, DIB.
Literatura Citada
A.G. Rojas H., F. Renero C., W. Calleja y R. Perez R, 
Diseño de Sistemas Ópticos Afocales con Microlentes 
de Silicio, Revista Mexicana de Física, 51 (5) 530534, 
Puebla (2005).
D. Martínez-Escobar, A. Sánchez-Juárez, Jorge Sergio 
Narro Rios, Optical and electrical properties of SnSe2 
and SnSe thin lms prepared by spray pyrolysis, 535 
(2013), 390–393pp.
E. Banguero,  preparación y caracterización de películas 
delgadas de sns y sns:bi depositadas por sulfurización, 
trabajo nal maestría en ciencias física (2010), 
Universidad Nacional de Colombia.
F. I. Ezema, A. B. C. Ekwealor and R. U. Osuji, Efect of 
Thermal Annealing on the Band GAP and Optical 
Properties of Chemical Bath Deposited ZnSeThin 
Films, Turk J Phys, 30 (2006), 157-163pp.
Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, A. 
Luque and S. Hegedus, John Wiley & Sons Ltd, 2003.
Martin A. Green, Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa,  
Wilhelm Warta, Solar cell efciency tables (version 
37), Prog. Photovolt: Res. Appl. 19 (2011), 84 – 92pp.
NREL National RenewableEnergyLaboratory, 
statisticsefciency, 2013.
R. Swanenpoel, J. Phys. E: Sci. Instrum., 16(1983), 1214-
1222pp.
53
Quiroz  et al. / Momentos de Ciencia 10 (1) 2013, pp: 49-53


Cálculo de las constantes ópticas de compuestos binarios usados para la aplicación en dispositivos fotovoltáicos

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Cálculo de las constantes ópticas de compuestos binarios usados para la aplicación en dispositivos fotovoltáicos

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